海藻酸鈉/CaCO3醫(yī)用封閉劑凝膠化時(shí)間的調(diào)控

吳國華, 張 恒, 紀(jì)曉寰, 華艷萍, 孫 賓, 王 煒, 邢 程

(1. 東華大學(xué) a. 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b. 材料科學(xué)與工程學(xué)院; c. 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院;

d. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620； 2. 蘇州安德佳生物科技有限公司， 江蘇 蘇州 215123)

海藻酸鈉/CaCO3醫(yī)用封閉劑凝膠化時(shí)間的調(diào)控

吳國華1a, 1c, 張 恒2, 紀(jì)曉寰1a, 1b, 華艷萍1a, 1b, 孫 賓1a, 1b, 王 煒1c, 1d, 邢 程2

(1. 東華大學(xué) a. 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b. 材料科學(xué)與工程學(xué)院; c. 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院;

d. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620； 2. 蘇州安德佳生物科技有限公司， 江蘇 蘇州 215123)

采用4種典型碳酸鈣(微米碳酸鈣、納米碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣)，分別與葡萄糖酸內(nèi)酯(GDL)組成鈣離子釋放體系，使海藻酸鈉水溶液可控凝膠化，研究了碳酸鈣與海藻酸鈉羧酸根的摩爾比(f)、GDL與碳酸鈣的摩爾比(n)和海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(c)對(duì)海藻酸鈉水凝膠的凝膠化時(shí)間及力學(xué)性能的影響．研究結(jié)果表明：在溫度為37 ℃,f值為0.8、n值為1.4、c值為2.0%時(shí)，輕質(zhì)碳酸鈣體系的凝膠化時(shí)間為2.5 min，且形成凝膠的抗壓強(qiáng)度為0.145 MPa，因而該凝膠具備一定的力學(xué)性能，可作為醫(yī)用封閉劑的基體．

海藻酸鈉； 碳酸鈣； 凝膠化時(shí)間； 力學(xué)性能； 醫(yī)用封閉劑

縫線止血會(huì)導(dǎo)致手術(shù)中的血流失量增多和縫合時(shí)間延長，而醫(yī)用封閉劑的使用不僅可以有效減少手術(shù)中的血流失量，而且其較快的固化速度給手術(shù)帶來了方便[1]．理想的止血封閉劑必須滿足以下條件：與組織相容性好，能被機(jī)體代謝或生物降解，無異物殘留；有一定的黏性和流動(dòng)性，能暫時(shí)黏接或阻止吻合口兩端緣的分離；能迅速潤濕和填充吻合口的裂隙；常溫下，能迅速成膜、固化，形成不溶于水的膜狀物，從而有效阻隔、降低膠體毒性[2-3]．

目前的醫(yī)用止血封閉劑有纖維蛋白膠[4]、α- 氰基丙烯酸酯類[5]、明膠[6-7]、殼聚糖[8]，以及使用得較多的海藻酸鹽凝膠類[9-13]．雖然這些封閉劑已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但都存在一些問題.如纖維蛋白膠容易被肺組織吸收，無法實(shí)現(xiàn)長久的肺漏氣封閉，而且纖維蛋白膠醫(yī)用密封劑與肺組織結(jié)合過于強(qiáng)烈，導(dǎo)致肺的活動(dòng)受限制[4]；α- 氰基丙烯酸酯類作為醫(yī)用黏合劑具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是其對(duì)生物組織有異反應(yīng)、與組織黏結(jié)不牢固也易使組織老化[14]；明膠使用甲醛和戊二醛為交聯(lián)劑，毒性較大，難以在手術(shù)中使用；殼聚糖成膜需要用冰醋酸，冰醋酸對(duì)機(jī)體有很強(qiáng)的刺激性和毒性[8]．而由海藻酸鈉(SA)制備的封閉劑優(yōu)點(diǎn)突出，SA是來自海藻的天然高分子，少量CaCl2對(duì)生物體的影響也不大[10-11]，故該類封閉劑的生物相容性好；SA有很好的水溶性，其溶液有一定的流動(dòng)性和黏性，與CaCl2溶液混合后即能凝膠化，制備方法簡單且使用簡便；凝膠化形成的膜不溶于水，在水中浸泡24 h后，膜仍能保存完好，故有較好的封閉性．但這類封閉劑的缺點(diǎn)是SA溶液與CaCl2反應(yīng)速率較快，導(dǎo)致形成的凝膠不均勻，影響其封閉性能，從而提高了對(duì)手術(shù)操作的要求．采用CaCO3/葡萄糖酸內(nèi)酯(GDL)作為復(fù)合離子交聯(lián)體系制備海藻酸鹽水凝膠，通過GDL水解緩慢釋放H+，使Ca2+緩慢釋放出來與海藻酸鈉分子交聯(lián)形成結(jié)構(gòu)均一的水凝膠，可避免海藻酸鈣快速反應(yīng)而造成的凝膠結(jié)構(gòu)不均勻性[15]．文獻(xiàn)[15]選用平均粒徑為20 μm 的CaCO3做鈣源，凝膠化時(shí)間大于8 min.

較短的凝膠化時(shí)間有利于臨床手術(shù)，為此，本文選用4種典型的CaCO3，即微米碳酸鈣、納米碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣，分別與GDL結(jié)合作為鈣離子緩釋體系，研究CaCO3與海藻酸鈉羧酸根的摩爾比(f)、GDL與CaCO3的摩爾比(n)和海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(c)對(duì)海藻酸鹽水凝膠的凝膠化時(shí)間及力學(xué)性能的影響，以達(dá)到調(diào)控凝膠化時(shí)間的目的，為海藻酸鈉水凝膠的制備奠定基礎(chǔ).

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

海藻酸鈉，黏度(10 g/L, 20 ℃)≥0.02 Pa·s，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；微米碳酸鈣，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；納米碳酸鈣，分析純，上海躍江鈦白化工制品有限公司；輕質(zhì)碳酸鈣，分析純，上海躍江鈦白化工制品有限公司；重質(zhì)碳酸鈣，分析純，上海聚千化工有限公司；GDL，分析純，梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司．

1.2 海藻酸鹽水凝膠的制備

海藻酸鹽水凝膠的制備過程如圖1所示．將一定質(zhì)量的CaCO3微粒加入海藻酸鈉溶液中，超聲分散均勻后，往其中加入GDL，迅速攪拌混合均勻后將混合液倒入24孔細(xì)胞培養(yǎng)板(孔直徑d=2 cm)中，混合溶液經(jīng)一定時(shí)間后形成凝膠．

圖1 海藻酸鹽水凝膠制備過程示意圖Fig.1 Schematic illustration of the preparation process of alginate hydrogel

1.3 凝膠的結(jié)構(gòu)與性能測試

1.3.1 海藻酸鈉溶液黏度

用美國BROOKFIELD公司生產(chǎn)的R/S-Plus型計(jì)算機(jī)控制黏度儀測試不同含量的海藻酸鈉溶液的表觀黏度(動(dòng)力黏度)，采用高黏度的短套筒，溫度為37 ℃．設(shè)定程序：第一階段(前100 s)，剪切速率從0 s-1升至800 s-1；第二階段(后100 s)，剪切速率保持800 s-1．

1.3.2 凝膠化時(shí)間

采用試管傾斜法在37 ℃(水浴)下測定樣品的凝膠化時(shí)間．每隔30 s傾斜盛裝有10 mL凝膠樣品的試管，直至樣品停止流動(dòng)，記錄所需時(shí)間．

組成。裝置內(nèi)部無扎線，使用WB500總線背板。351F采用現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)技術(shù)，與主控單元的通信采用深圳所的《ISA300基于CAN網(wǎng)保護(hù)測控通信規(guī)約》V3.01；接地變及站用變 351F軟件信息均為：ISA-351F-FG-11C-V1.54-20041118。

1.3.3 CaCO3顆粒的形貌尺寸及其在海藻酸鈉復(fù)合膜中的分散性

將4種CaCO3分別超聲分散在去離子水中，然后滴加到鋁箔紙上并烘干，用日本JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝CaCO3顆粒形態(tài)．

分別將0.2 g微米碳酸鈣、納米碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣添加至50 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的海藻酸鈉溶液中，攪拌均勻，超聲分散1 h后，將混合液分別放入表面積相同的培養(yǎng)皿中，置于60 ℃烘箱中烘干成膜．用Nikon公司生產(chǎn)的ALPHAPHOT-2 YS2型雙目生物顯微鏡放大100倍拍照片，對(duì)共混膜的表面進(jìn)行表征．

1.3.4 凝膠力學(xué)性能

將凝膠化24 h后得到的凝膠樣品，用長春科新實(shí)驗(yàn)儀器公司生產(chǎn)的20KNWDW 3020型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試樣品的抗壓強(qiáng)度．加載速度為2 mm/min， 每組樣品平行測定5次，取平均值．

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 海藻酸鈉溶液流變性

海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是決定其凝膠化能力和溶液流動(dòng)性的關(guān)鍵因素．在稀溶液下，海藻酸鈉分子鏈處于分離狀態(tài)，難以凝膠化；而溶液濃度過高，其流動(dòng)性變差，會(huì)給后續(xù)操作，包括與其他試劑的混合和手術(shù)操作帶來不便和困難．為此，本文首先研究了海藻酸鈉溶液黏度隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，進(jìn)而得到其臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為凝膠化調(diào)控提供基礎(chǔ).

溫度精確控制在37 ℃，測定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%, 0.2%, 0.5%, 0.8%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 4.0%, 5.0%)的海藻酸鈉溶液的表觀黏度隨剪切速率的變化，結(jié)果如圖2所示. 由圖2可知，海藻酸鈉溶液的表觀黏度對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有依賴性，即海藻酸鈉溶液的黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增大．這是由于海藻酸鈉大分子間相互接觸，彼此間鏈段纏結(jié)，分子間范德華力以及氫鍵作用等導(dǎo)致海藻酸鈉溶液黏度增大．

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)海藻酸鈉溶液的表觀黏度曲線Fig.2 Curves of apparent viscosity of sodium alginate solution with different mass fractions

圖3 海藻酸鈉溶液的黏度與海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)關(guān)系

Fig.3 The logarithmic relationship between the viscosity of the sodium alginate solution and the mass fraction of sodium alginate

由圖3可知，當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，lgη-lgc呈現(xiàn)曲線變化關(guān)系；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到某一值時(shí)，lgη-lgc呈現(xiàn)線性關(guān)系，這時(shí)聚合物開始相互穿插交疊，該質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)c*.低于臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)c*時(shí)，海藻酸鈉分子在溶液中是分離的，表現(xiàn)出低黏度；而當(dāng)高于臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)c*時(shí)，海藻酸鈉大分子互現(xiàn)穿插，分子之間范德華力以及氫鍵作用等導(dǎo)致海藻酸鈉溶液黏度急劇增大[16-17]．對(duì)圖3中較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的lgη-lgc進(jìn)行線性擬合，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%(lg 1.5=0.18)時(shí)其相關(guān)系數(shù)R2僅為0.9849，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%(lg 2.0=0.30)時(shí)的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.9939，說明質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時(shí)lgη-lgc呈現(xiàn)線性關(guān)系，所以選定海藻酸鈉的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)c*為2.0%.在臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)下海藻酸鈉溶液的流動(dòng)性適當(dāng)，且分子鏈間已存在一定的相互作用，易于形成一定強(qiáng)度的凝膠，故本文在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%條件下進(jìn)行后續(xù)的凝膠化時(shí)間調(diào)控．

2.2 CaCO3的形貌尺寸及其在海藻酸鈉基體中的分散性

CaCO3的形貌尺寸、密度及其在海藻酸鈉基體中的分布狀態(tài)，影響其與GDL反應(yīng)釋放Ca2+的速度，從而影響凝膠化時(shí)間和凝膠的性能．本文采用掃描電子顯微鏡對(duì)4種CaCO3進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖4所示．由圖4可見，微米碳酸鈣(圖4(a))和納米碳酸鈣(圖4(b))顆粒平均粒徑分別約為20 和1 μm．其中，納米碳酸鈣呈團(tuán)聚體粒子形貌，團(tuán)聚后顆粒屬于微米級(jí)粒子，每個(gè)顆粒都是由很多初級(jí)粒子團(tuán)聚而成，團(tuán)聚后顆粒不夠規(guī)則．輕質(zhì)碳酸鈣(圖4(c))及重質(zhì)碳酸鈣(圖4(d))顆粒平均粒徑分別為2 和5 μm左右，前者由化學(xué)反應(yīng)制得，顆?；境拾羟驙?，后者由機(jī)械粉碎方法制得，顆粒形狀不規(guī)則.

(a) 微米碳酸鈣

(b) 納米碳酸鈣

(c) 輕質(zhì)碳酸鈣

(d) 重質(zhì)碳酸鈣

由4種CaCO3與海藻酸鈉的復(fù)合溶液分別制備共混膜，通過雙目生物顯微鏡放大100倍拍照片觀察CaCO3微粒在膜表面的分布，結(jié)果如圖5所示．

(a) 微米碳酸鈣

(b) 納米碳酸鈣

(c) 輕質(zhì)碳酸鈣

(d) 重質(zhì)碳酸鈣

由圖5可見，4種CaCO3均呈現(xiàn)出形貌明顯可分辨的顆粒，其中，重質(zhì)、輕質(zhì)和納米碳酸鈣基本未見較大的顆粒團(tuán)聚體，分布狀況均較微米碳酸鈣好.這表明除微米碳酸鈣因顆粒較大在溶液復(fù)合制樣時(shí)較難混合均勻外，其他3種碳酸鈣原料與海藻酸鈉基體均有著較好的相容性．

2.3 凝膠化時(shí)間

以上述CaCO3微粒與GDL反應(yīng)釋放的Ca2+制備水凝膠，研究CaCO3與海藻酸鈉中羧酸根的摩爾比(f)、GDL和CaCO3的摩爾比(n)和海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(c)對(duì)凝膠化時(shí)間的影響，結(jié)果如圖6所示．

(a) c=2.0%, n=1.4

(b) c=2.0%, f=0.5

(c) n=1.4, f=0.5

Fig.6 The gelation time of alginate hydrogels

由圖6可見，海藻酸鈉水凝膠的凝膠化時(shí)間隨著f值和n值的增大而減小，隨著c值的增大而增大．這是由于f值的增大使得體系單位體積中有更多的Ca2+與海藻酸鈉的羧酸鹽結(jié)合，使凝膠化過程變得容易，凝膠化時(shí)間縮短；n值的增大使單位時(shí)間內(nèi)有更多的Ca2+從CaCO3微粒中釋放出，使得海藻酸鈉分子鏈與Ca2+的螯合作用更加容易，同樣使凝膠化時(shí)間縮短．而隨著海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，單位羧酸鈉可結(jié)合的Ca2+量逐漸減小，使得凝膠化時(shí)間延長. 在相同條件下，不同CaCO3制備的水凝膠凝膠化時(shí)間由短到長依次為：輕質(zhì)碳酸鈣<納米碳酸鈣<重質(zhì)碳酸鈣<微米碳酸鈣，其中輕質(zhì)碳酸鈣作為鈣離子源的復(fù)合體系具有最短的凝膠化時(shí)間. 由圖6(a)可知，在f值為0.8、n值為1.4、c值為2.0%時(shí)，輕質(zhì)碳酸鈣體系的凝膠化時(shí)間僅為2.5 min，而納米碳酸鈣體系和重質(zhì)碳酸鈣體系分別為4.0和4.5 min，微米碳酸鈣則達(dá)9.5 min.試驗(yàn)結(jié)果表明CaCO3密度的影響更為關(guān)鍵．輕質(zhì)碳酸鈣為化學(xué)反應(yīng)制得，具有更大的沉降體積且密度小[19]，分子堆砌較為松散，H+與CaCO3顆粒沿徑向的反應(yīng)速率更快，在單位時(shí)間內(nèi)釋放出的Ca2+可能比納米碳酸鈣更多，故盡管其顆粒尺寸比納米碳酸鈣大，但凝膠化時(shí)間更短.

2.4 凝膠的力學(xué)強(qiáng)度

海藻酸鈉水凝膠的抗壓強(qiáng)度隨CaCO3與羧基的摩爾比f值、GDL與CaCO3的摩爾比n值和海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)c的變化規(guī)律如圖7所示．

(a) c=2.0%, n=1.4

(b) c=2.0%, f=0.5

(c) n=1.4, f=0.5

Fig.7 The compressive strength of alginate hydrogels

由圖7可見，同一鈣源制備的海藻酸鈉水凝膠的抗壓強(qiáng)度隨f值、n值和c值的增大而增大，但當(dāng)f值大于0.4、n值大于1.4 和c值超過2.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增大的趨勢均明顯減?。甪值的增大使得體系中有更多的Ca2+與海藻酸鈉分子結(jié)合，使水凝膠的凝膠化過程變得更加容易，而Ca2+含量的增大相當(dāng)于交聯(lián)點(diǎn)增多[20]，使凝膠網(wǎng)絡(luò)更加致密，從而提高凝膠力學(xué)性能．n值的增大使得更多的CaCO3釋放出Ca2+，使得海藻酸鈉分子鏈與Ca2+的螯合作用更加容易，同樣使得凝膠網(wǎng)絡(luò)填充更加緊密，導(dǎo)致水凝膠體系的強(qiáng)度增加.海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大使得海藻酸鈉大分子之間的間距減小，海藻酸鈉分子鏈與Ca2+的螯合更加容易，同樣使得凝膠的力學(xué)性能提高．當(dāng)n、f和c分別增大到一定值后，由于Ca2+與海藻酸鈉分子的凝膠化比較充分，故水凝膠力學(xué)性能增大的趨勢明顯減?。蓤D7(a)可知，在f值為0.8、n值為1.4、c值為2.0%時(shí)，用納米碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣分別制備的水凝膠的抗壓強(qiáng)度分別為0.160 MPa(50.24 N)和0.145 MPa(45.53 N)，優(yōu)于以微米碳酸鈣為鈣源制備的水凝膠強(qiáng)度(0.125 MPa， 39.25 N)和文獻(xiàn)[15]報(bào)道的水凝膠強(qiáng)度(24 N)．

3 結(jié) 語

因微粒形貌尺寸和密度的差異，不同CaCO3微粒與GDL組成的Ca2+釋放體系，其海藻酸鈉水凝膠的凝膠化時(shí)間由短到長依次為輕質(zhì)碳酸鈣<納米碳酸鈣<重質(zhì)碳酸鈣<微米碳酸鈣．在CaCO3與海藻酸鈉中羧酸根的摩爾比f值為0.8、 GDL與CaCO3的摩爾比n值為1.4、海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)c值為2.0%時(shí)，輕質(zhì)碳酸鈣體系可形成較好力學(xué)性能的水凝膠，在37 ℃ 時(shí)其凝膠化時(shí)間為2.5 min，該凝膠可作為醫(yī)用封閉劑的基體.其與生物組織黏附能力和體內(nèi)吸收周期調(diào)控的研究，將見于后續(xù)的報(bào)道.

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Tuning Gelation Time of Sodium Alginate/CaCO3Base Hydrogel for Using as Medical Sealants

WUGuo-hua1a, 1c,ZHANGHeng2,JIXiao-huan1a, 1b,HUAYan-ping1a, 1b,SUNBin1a, 1b,WANGWei1c, 1d,XINGCheng2

(a. State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials； b. College of Materials Science and Engineering; c. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology; d. Key Laboratory of Science & Technology of Eco-textile, Ministry of Education, 1. Donghua University, Shanghai 201620, China； 2. EndoClot Plus Suzhou Co.Ltd., Suzhou 215123, China)

Calcium carbonate (CaCO3) and gluconolactone (GDL) were composed together as calcium ion slow-release system. Four typical kinds of CaCO3(micron-CaCO3, nano-CaCO3, light CaCO3and ground CaCO3) were used as calcium source for making the gelation of sodium alginate controllable. The effects of different parameters (including the molar ratio of CaCO3and carboxyl group (f), the molar ratio of GDL and CaCO3(n), the mass fraction of sodium alginate solution (c)) on hydrogels’ gelation time and mechanical properties were studied. The results show that the gelation time of light CaCO3system is about 2.5 min under the condition of 37 ℃,fvalued 0.8,nvalued 1.4 andcvalued 2.0%, the compressive strength of the hydrogels is 0.145 MPa, they also have certain mechanical properties and can be used as the substrate of the medical sealants.

sodium alginate; calcium carbonate; gelation time; mechanical properties; medical sealants

1671-0444(2016)01-0067-06

2014-10-31

吳國華(1989—)， 男，江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗵枪δ懿牧系难兄坪蛻?yīng)用開發(fā)．E-mail：wugh1005roy@163.com

張 恒(聯(lián)系人)，男，工程師，E-mail：zhangheng2009@gmail.com

R 318.08

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